Elektro-Autos: Wie Batterien altern

Die irreversiblen Schäden an Batterien im Laufe ihrer Lebensdauer erstmals systematisch untersucht

Lithium-Ionen-Akku
Lithium-Ionen-Akku

Albuquerque (USA) - Damit sich Autos mit Elektroantrieb im Alltagsverkehr durchsetzen, brauchen sie möglichst leichte und langlebige Batterien. Jetzt haben US-Forscher erstmals das Altern der typischen Lithium-Ionen-Akkus in allen Details untersucht. Fazit: Der schleichende Verfall der Ladungsspeicher beginnt schon auf der Nano-Ebene. Das fein strukturierte Material der Elektroden, das das schnelle Laden und Entladen erlaubt, wird mit der Zeit gröber. Außerdem wandern nicht nur Elektronen und Ionen, sondern offenbar auch Lithiumatome zwischen den Elektroden. Die vorläufigen Ergebnisse präsentierte das Team soeben auf der 57. AVS International Symposium & Exhibition in Albuquerque. Sie könnten helfen, künftig Batterien mit längerer Lebensdauer herzustellen.

"Während die Mechanismen beim Betrieb dieser Batterien gut verstanden sind, werden die Alterungsvorgänge noch untersucht", erklärt Giovanni Rizzoni, Direktor des Center for Automotive Research an der Ohio State University. Einfaches Widerstandsmessen von außen zeige direkt, wenn ein Akku altere – auf der Materialebene von Kathode, Anode, Separatorschicht und Elektrolyt gehe das Altern allerdings auf zahlreiche unterschiedliche Verfallsprozesse zurück. Um diese klar zu identifizieren, hatte das Team um Rizzoni und Yann Guezennec, Professor am OSU College of Engineering, neue experimentelle Testgeräte und Versuchsläufe entwickelt. Damit ließen sie handelsübliche Lithium-Ionen-Akkus Tausende von Malen laden und entladen: über viele Monate hinweg unter unterschiedlichsten Bedingungen, denen Elektroautos ausgesetzt sein können. Die Spanne reichte von heiß-trockenem Wetter wie in Wüsten bis zu andauernder Kälte wie in Alaska.

Die schließlich "toten" Batterien untersuchten die Forscher bis in die Feinstruktur des Elektrodenmaterials hinein. Erster Schritt war das Aufspüren der Problemzonen in jeder Elektrode, ein rund 1,5 Meter langer Metallstreifen, mit Oxiden beschichtet und für den Betrieb zusammengerollt wie eine Teppichrolle. Mithilfe infraroter thermischer Bildgebung konnten die Forscher jene Zonen identifizieren, die sie dann mit zahlreichen anderen Methoden näher betrachteten. Die elektrischen Eigenschaften untersuchten sie mithilfe der Elektrochemischen Impedanz-Spectroscopy und der so genannten Scanning Spreading Resistance Microscopy, in der ein Rastersondenmikroskop Widerstände messen hilft. Der strukturelle Verfall des Materials zeigte sich auf der Meter-Ebene durch die infrarote thermische Bildgebung, auf Mikrometer-Ebene durch Raster- und Transmissionselektronenmikroskop, Röntgenstreuung, bis hin zu noch kleineren Maßstäben durch Rasterkraftmikroskopie und Elektronenenergieverlustspektroskopie. Zum Abschluss nutzen die Forscher dann eine recht neue Technik namens Neutron depth profiling (NDP), mit dem sie erfolgreich den Transport und die Konzentration der Lithium-Ionen innerhalb der nur wenige Mikrometer dicken Kathode untersuchen konnten.

"Wir können ganz klar sehen, dass eine gealterte Probe gegenüber einer nicht gealterten eine sehr viel niedrigere Lithiumkonzentration in der Kathode hat - das Lithium hat sich auf irreversible Weise mit dem Anodenmaterial verbunden", so Rizzoni. Die Forscher vermuten, bislang ohne Beleg, dass hinter diesem Verlust an Lithium die Strukturvergröberung der Kathode steckt. Sollte sich dies bewahrheiten, könnten Batteriehersteller hier mit Verbesserungen ansetzen und künftig Speicher mit längerer Lebensdauer produzieren.